CN110044279B - 一种密封圈厚度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于厚度测量技术领域，并具体公开了一种密封圈厚度测量装置及方法，其包括光源模块、内外径定焦成像模块、高度定焦成像模块和计算模块，光源模块包括调角器、水平安装在调角器上方的背光源以及垂直安装在背光源一侧的条形光源；内外径定焦成像模块设于背光源的正上方，其用于获取密封圈的正投影图；高度定焦成像模块设于背光源的另一侧，并与条形光源相对，且其轴线与内外径定焦成像模块的轴线垂直，该高度定焦成像模块用于获取密封圈的侧投影图；计算模块用于根据正投影图和侧投影图计算获得密封圈的厚度。本发明具有测量精度高、操作简单、效率高等优点，可实现密封圈厚度的快速、精确测量。

Description

一种密封圈厚度测量装置及方法

技术领域

本发明属于厚度测量技术领域，更具体地，涉及一种密封圈厚度测量装置及方法。

背景技术

密封圈在给水排水，暖通空调，消防、制药、船舶、等管道系统、汽车﹑摩托车﹑各种机械﹑家用电器﹑电子﹑玩具﹑运动器材﹑气动元件及卫浴等诸多领域均有着广泛的应用。为了保证生产的密封圈满足所需工艺参数条件，在实际生产过程中需对其厚度进行测量，以及时发现不合格产品并调整对应的生产工艺，保证产品的合格率。

目前，对于密封圈厚度的测量一直没有行之有效的办法。由于密封圈属于弹性材质，常用的游标卡尺、千分尺等测量设备，在测量过程中容易造成密封圈接触变形，导致测量结果不准确、重复性差；光学影像测量设备适应于在平面视场内测量密封圈的内外径，而厚度尺寸分布在整个密封圈的圆周侧边，在测量时难以稳定放置，且圆周分布视场景深很大；当前的光学影像测量设备调焦、人工采样点确定操作十分麻烦，而且只能测量局部厚度，误差较大，对于测量大直径密封圈则更为困难。

因此，需要开发一种测量精度高、操作便捷的密封圈厚度测量装置和方法。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种密封圈厚度测量装置及方法，其利用两组定焦成像模块获取待测密封圈的正面投影图和侧投影图，并通过数据处理与计算获得密封圈的厚度值，解决了普通光学影像测量设备测量景深的局限，具有测量精度高、操作简单、效率高等优点，易于实现生产在线大批量快速测量，尤其适用于O型密封圈厚度的测量。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种密封圈厚度测量装置，其包括光源模块、内外径定焦成像模块、高度定焦成像模块和计算模块，其中：

所述光源模块包括调角器、水平安装在调角器上方的背光源以及垂直安装在背光源一侧的条形光源，该调角器用于调节所述背光源的位置，该背光源用于为内外径定焦成像模块的成像提供照明，且其上方用于放置待测量的密封圈，该条形光源用于为高度定焦成像模块的成像提供照明；

所述内外径定焦成像模块设于背光源的正上方，其用于获取密封圈的正投影图，并将正投影图传输至计算模块中；所述高度定焦成像模块设于背光源的另一侧，并与所述条形光源相对，且其轴线与内外径定焦成像模块的轴线垂直，该高度定焦成像模块用于获取密封圈的侧投影图，并将侧投影图传输至计算模块中；

所述计算模块用于根据正投影图和侧投影图计算获得所述密封圈的厚度。

作为进一步优选的，所述内外径定焦成像模块包括彼此相连的第一定焦镜头和第一CCD，该第一定焦镜头用于密封圈正投影图的成像，并由第一CCD采集。

作为进一步优选的，所述高度定焦成像模块包括彼此相连的第二定焦镜头和第二CCD，该第二定焦镜头用于密封圈侧投影图的成像，并由第二CCD采集。

作为进一步优选的，所述计算模块采用如下方式根据正投影图和侧投影图计算获得所述密封圈的厚度：

首先，利用标定量块对高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块进行标定以获得两者间的标定关系；

然后，对正投影图和侧投影图进行图像处理，并结合高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块两者间的标定关系计算获得待测密封圈的厚度值。

按照本发明的另一方面，提供了一种密封圈厚度测量方法，其采用所述的装置进行，其包括如下步骤：

S1利用调角器调节背光源，使其发光面与内外径定焦成像模块的视场轴线垂直，与高度定焦成像模块的视场轴线平行；

S2利用标定量块对高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块进行标定以获得两者间的标定关系；

S3利用内外径定焦成像模块和高度定焦成像模块分别获取待测密封圈的正投影图和侧投影图，通过图像处理并结合高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块两者间的标定关系获得待测密封圈的厚度值。

作为进一步优选的，步骤S2包括如下子步骤：

S21将标称高度为H₀的标定量块置于背光源靠近第二定焦镜头的边缘，且位于第二定焦镜头的视场中心；

S22标定量块沿着背光源水平移动n次，通过第二定焦镜头得到标定量块在不同标定位置的厚度像素值h_i，通过第一定焦镜头得到标定量块中心在不同标定位置与背光源边缘的距离像素值L_i，i＝1～n；

S23计算n个不同标定位置的缩放系数

并构建二阶定焦景深物象缩放模型

其中A、B和C为待拟合的系数；

S24根据n个不同标定位置的缩放系数K_i以及标定量块中心与背光源边缘的距离像素值L_i拟合获得二阶定焦景深物象缩放模型中系数A、B和C的值。

作为进一步优选的，步骤S3包括如下子步骤：

S31将待测量的密封圈置于背光源的中心位置，利用内外径定焦成像模块获取密封圈的正投影图，并根据密封圈的正投影图获得密封圈的内径测量值、外径测量值及内外圆的圆心位置；

S32以密封圈的内径测量值和外径测量值的平均值为直径，内外圆的圆心连线的中点为圆心，在正投影图中得到密封圈的中间圆轮廓线；

S33将中间圆的与高度定焦成像模块视场轴线垂直的直径线进行等分处理，以等分点为起点作垂直于该直径线并朝向第二定焦镜头方向的射线，得到射线与中间圆轮廓线的多个交点，依次确定多个交点与背光源边缘的距离像素值L_mi，其中，i＝1～j，j为等分点总量；

S34利用高度定焦成像模块获取密封圈的侧投影图，根据密封圈的侧投影图获得密封圈的侧面轮廓线以及密封圈侧面轮廓线与背光源发光面的两个相交点；

S35对两个相交点的连线进行等分处理，以等分点为起点作垂直于该连线并朝向第一定焦镜头方向的射线，得到射线与密封圈侧面轮廓线的多个交点，依次确定多个交点与对应等分点间的线段的高度像素值h_mi，其中，i＝1～j，j为等分点总量；

S36根据下式计算密封圈在当前测量位置的厚度hm：

其中，A、B和C为拟合获得的已知值。

作为进一步优选的，所述方法还包括如下步骤：

S4将密封圈绕中间圆的圆心水平旋转一定角度，利用步骤S3同样的方法得到该测量位置密封圈的厚度值；

S5重复步骤S4以获得多个厚度值，计算所有厚度值的均值作为密封圈的厚度测量值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明提供的密封圈厚度测量装置利用定焦镜头定视角、景深大的特点，组合两组定焦成像装置和两个方向散射背投光源，形成了新型的密封圈厚度测量装置，解决了普通光学影像测量设备测量景深的局限，实现了密封圈厚度的大景深和半圆周同步测量。

2.本发明的测量方法利用一个定焦镜头采集密封圈的正面投影图，通过等分线段方法确定密封圈半圆周上均分的多个厚度测量点，并实时采集厚度测量点的景深位置(即距离像素值L_mi)，便于景深缩放的补偿，测量准确性提高，使用另一个定焦镜头采集密封圈的侧投影图，确定其半圆周对应测量点不同的厚度值，利用测量之前标定的侧投影厚度与正投影景深的缩放补偿关系(即计算缩放系数，并拟合出缩放模型的系数值)，计算得到半圆周多个测量点准确补偿的厚度值，彻底消除了定焦景深带来的物象测量误差。

3.本发明方法将多个厚度值的均值作为密封圈的厚度值，保证了测量结果的精度和稳定性，该方法的厚度测量点分布均匀性好，补偿方法科学和精确。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种密封圈厚度测量装置的示意图；

图2是本发明实施例中内外径定焦成像模块采集得到的密封圈的正投影图；

图3是本发明实施例中高度定焦成像模块采集得到的密封圈的侧投影图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-背光源、2-条形光源、3-调角器、4-密封圈、5-第一定焦镜头、6-第一CCD、7-第二定焦镜头、8-第二CCD。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

如图1所示，本发明实施例提供的一种密封圈厚度测量装置，其包括光源模块、内外径定焦成像模块、高度定焦成像模块和计算模块，其中，光源模块包括调角器3、水平安装在调角器3上方的背光源1以及垂直安装在背光源1一侧的条形光源2，该调角器3用于调节背光源1的位置，该背光源1用于为内外径定焦成像模块的成像提供照明，且其上方用于放置待测量的密封圈4，该条形光源2用于为高度定焦成像模块的成像提供照明；内外径定焦成像模块设于背光源1的正上方，其用于获取密封圈4的正投影图，并将正投影图传输至计算模块中；高度定焦成像模块设于背光源1的另一侧，并与条形光源2相对，且高度定焦成像模块的轴线与内外径定焦成像模块的轴线垂直，该高度定焦成像模块用于获取密封圈4的侧投影图，并将侧投影图传输至计算模块中；计算模块用于根据正投影图和侧投影图计算获得密封圈4的厚度。

具体的，如图1所示，内外径定焦成像模块包括彼此相连的第一定焦镜头5和第一CCD6，该第一定焦镜头5用于密封圈4正投影图的成像，成像后的密封圈正投影图由第一CCD6采集。高度定焦成像模块包括彼此相连的第二定焦镜头7和第二CCD8，该第二定焦镜头7用于密封圈4侧投影图的成像，成像后的密封圈侧投影图由第二CCD8采集。

通过本发明的密封圈厚度测量装置可实现密封圈尤其是O型密封圈厚度的测量，具体包括如下步骤：

S1利用调角器3调节背光源1，使其发光面(即用于放置待测密封圈的表面)与内外径定焦成像模块的视场轴线垂直，与高度定焦成像模块的视场轴线平行；

S2测量前，利用标定量块对高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块进行标定以获得两者间的标定关系，具体包括如下子步骤：

S21将标称高度为H₀的标定量块置于背光源1靠近第二定焦镜头7的边缘，且位于第二定焦镜头7的视场中心；

S22标定量块沿着背光源1水平移动n次，通过第二定焦镜头7得到标定量块在不同标定位置的厚度像素值h_i，通过第一定焦镜头5得到标定量块中心在不同标定位置与背光源1边缘的距离像素值L_i，i＝1～n；

S23通过式(1)计算n个不同标定位置的缩放系数：

根据定焦镜头的物象在不同景深缩放规律构建如式(2)所示的二阶定焦景深物象缩放模型：

其中，A、B和C为待拟合的系数；

S24根据n个不同标定位置的缩放系数K_i以及标定量块中心与背光源边缘的距离像素值L_i拟合获得二阶定焦景深物象缩放模型中系数A、B和C的值，也即根据已知参数K_i、L_i及构建的缩放模型K_i＝A+BL_i+CL_i ²进行例如最小二乘拟合以获得合适的A、B和C的值，具体如何拟合获得A、B和C的值，其是现有常规处理技术，在此不赘述；

S3测量时，利用内外径定焦成像模块和高度定焦成像模块分别获取待测密封圈4的正投影图和侧投影图，通过图像处理并结合高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块两者间的标定关系获得待测密封圈4的厚度值，具体包括如下子步骤：

S31打开背光源1和条形光源2，将待测量的密封圈4置于背光源1的中心位置，利用内外径定焦成像模块获取密封圈4的正投影图，并根据密封圈4的正投影图获得密封圈4的内径测量值、外径测量值及内外圆的圆心位置，具体是根据密封圈4的正投影图得到密封圈4的外圆、内圆轮廓线，然后通过圆拟合计算密封圈4的内径测量值、外径测量值以及内外圆的圆心位置；

S32以密封圈4的内径测量值和外径测量值的平均值为直径，内外圆的圆心连线的中点为圆心，在正投影图中得到密封圈4的中间圆轮廓线；

S33将中间圆的与高度定焦成像模块视场轴线垂直的直径线进行等分处理，然后以等分点为起点作垂直于该直径线并朝向第二定焦镜头7方向的射线，得到射线与中间圆轮廓线的多个交点，再依次确定多个交点与背光源1边缘的距离像素值L_mi，其中，i＝1～j，j为等分点总量；如图2所示，对中间圆的直径线ab进行6等分处理，获得5个等分点a1～a5，以5个等分点为起点作垂直于该直径线并朝向第二定焦镜头7方向的射线，得到射线与中间圆轮廓线的5个交点b1～b5，如图2所示，沿逆时针方向依次确定5个交点b1～b5与背光源1边缘的距离像素值L_m1～L_m5，即直接计算交点到背光源边缘的像素距离，根据两者的像素坐标即可计算获得，其为现有技术在此不赘述；

S34利用高度定焦成像模块获取密封圈4的侧投影图，根据密封圈4的侧投影图获得密封圈4的侧面轮廓线以及密封圈4侧面轮廓线与背光源1发光面的两个相交点，如图3所示的点c和点d；

S35对两个相交点的连线进行等分处理，以等分点为起点作垂直于该连线并朝向第一定焦镜头5方向的射线，得到射线与密封圈4侧面轮廓线的多个交点，依次确定多个交点与对应等分点间的线段的高度像素值h_mi(即直接计算交点到对应等分点的像素距离，根据两点的像素坐标即可计算获得，其为现有技术在此不赘述)，其中，i＝1～j，j为等分点总量，其与中间圆直径线的等分点总量相等；如图3所示，对点c和点d的连线cd进行6等分处理，获得5个等分点c1～c5，以5个等分点为起点作垂直于连线cd并朝向第一定焦镜头5方向的射线，得到射线与密封圈4侧面轮廓线的5个交点d1～d5，如图3所示，沿从左往右的方向依次确定5个交点与对应等分点间的线段(即线段c1d1、c2d2、c3d3、c4d4、c5d5)的高度像素值h_m1～h_m5；

S36根据下式计算密封圈4在当前测量位置的半圆周厚度^hm：

其中，A、B和C为步骤S2中拟合获得的具体数值，其为已知参数。

通过上述方法即可获得密封圈的厚度，但是由于密封圈为环形，只测一个厚度值可能结果有所偏差，因此，上述方法优选还包括如下步骤：

S4保持密封圈中间圆的圆心位置不变，使密封圈绕中间圆的圆心水平旋转一定角度，再利用步骤S3同样的方法得到该测量位置密封圈的厚度值，旋转的角度优选为90°；

S5重复步骤S4以获得多个厚度值，计算所有厚度值的均值作为密封圈的厚度测量值，若旋转角度为90°，则水平旋转三次，然后分别测得三个厚度值，计算这三个厚度值与步骤S3的厚度值(共计四个厚度值)的均值，该均值作为密封圈的厚度测量值。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种密封圈厚度测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1首先提供密封圈厚度测量装置，所述密封圈厚度测量装置包括光源模块、内外径定焦成像模块、高度定焦成像模块和计算模块，其中：

所述光源模块包括调角器(3)、水平安装在调角器(3)上方的背光源(1)以及垂直安装在背光源(1)一侧的条形光源(2)，该调角器(3)用于调节所述背光源(1)的位置，该背光源(1)用于为内外径定焦成像模块的成像提供照明，且其上方用于放置待测量的密封圈(4)，该条形光源(2)用于为高度定焦成像模块的成像提供照明；

所述内外径定焦成像模块设于背光源(1)的正上方，其用于获取密封圈(4)的正投影图，并将正投影图传输至计算模块中；所述高度定焦成像模块设于背光源(1)的另一侧，并与所述条形光源(2)相对，且其轴线与内外径定焦成像模块的轴线垂直，该高度定焦成像模块用于获取密封圈(4)的侧投影图，并将侧投影图传输至计算模块中；

所述计算模块用于根据正投影图和侧投影图计算获得所述密封圈(4)的厚度；

接着，利用调角器(3)调节背光源(1)，使其发光面与内外径定焦成像模块的视场轴线垂直，与高度定焦成像模块的视场轴线平行；

S2利用标定量块对高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块进行标定以获得两者间的标定关系；此步骤包括以下子步骤：

S21将标称高度为H₀的标定量块置于背光源(1)靠近第二定焦镜头(7)的边缘，且位于第二定焦镜头(7)的视场中心；

S22标定量块沿着背光源(1)水平移动n次，通过第二定焦镜头(7)得到标定量块在不同标定位置的厚度像素值h_i，通过第一定焦镜头(5)得到标定量块中心在不同标定位置与背光源(1)边缘的距离像素值L_i，i＝1～n；

S23计算n个不同标定位置的缩放系数

并构建二阶定焦景深物象缩放模型

其中A、B和C为待拟合的系数；

S24根据n个不同标定位置的缩放系数K_i以及标定量块中心与背光源边缘的距离像素值L_i拟合获得二阶定焦景深物象缩放模型中系数A、B和C的值；

S3利用内外径定焦成像模块和高度定焦成像模块分别获取待测密封圈(4)的正投影图和侧投影图，通过图像处理并结合高度定焦成像模块和内外径定焦成像模块两者间的标定关系获得待测密封圈的厚度值。

2.如权利要求1所述的密封圈厚度测量方法，其特征在于，步骤S3包括如下子步骤：

S31将待测量的密封圈(4)置于背光源(1)的中心位置，利用内外径定焦成像模块获取密封圈(4)的正投影图，并根据密封圈(4)的正投影图获得密封圈(4)的内径测量值、外径测量值及内外圆的圆心位置；

S32以密封圈(4)的内径测量值和外径测量值的平均值为直径，内外圆的圆心连线的中点为圆心，在正投影图中得到密封圈(4)的中间圆轮廓线；

S33将中间圆的与高度定焦成像模块视场轴线垂直的直径线进行等分处理，以等分点为起点作垂直于该直径线并朝向第二定焦镜头(7)方向的射线，得到射线与中间圆轮廓线的多个交点，依次确定多个交点与背光源(1)边缘的距离像素值L_mi，其中，i＝1～j，j为等分点总量；

S34利用高度定焦成像模块获取密封圈(4)的侧投影图，根据密封圈(4)的侧投影图获得密封圈(4)的侧面轮廓线以及密封圈(4)侧面轮廓线与背光源(1)发光面的两个相交点；

S35对两个相交点的连线进行等分处理，以等分点为起点作垂直于该连线并朝向第一定焦镜头(5)方向的射线，得到射线与密封圈(4)侧面轮廓线的多个交点，依次确定多个交点与对应等分点间的线段的高度像素值h_mi，其中，i＝1～j，j为等分点总量；

S36根据下式计算密封圈(4)在当前测量位置的厚度h_m：

其中，A、B和C为拟合获得的已知值。

3.如权利要求1所述的密封圈厚度测量方法，其特征在于，所述方法还包括如下步骤：

S4将密封圈绕中间圆的圆心水平旋转一定角度，利用步骤S3同样的方法得到该测量位置密封圈的厚度值；

S5重复步骤S4以获得多个厚度值，计算所有厚度值的均值作为密封圈的厚度测量值。

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